地壳岩体天然应力状态.doc

地壳岩体天然应力状态
1基本概念及研究意义
天然应力：指未经人为扰动，主要是在重力场、构造应力场综合作用下，所形成的应力状态，亦称初始应力（物理、化学、变化，岩浆侵入等）由人为活动而引起的应力场变化原生应力。
a.自重应力场

亦有
b.构造应力场
由地壳的构造运动所引起，活动的、剩余的。
c.变异应力与残余应力
变异应力：为物理、化学变化及岩浆侵入形成的应力场。
残余应力：岩体卸荷或部分卸荷所形成的拉压应力自相平衡的应力场。
2影响岩体天然应力状态的主要因素
一、主要因素
天然应力场的形成取决于地质条件和岩体所经历的地质历史。
地质条件：岩性R、E、μ
岩体结构不连续性、各向异性、应力集中
地质历史：构造作用及其演变历史（主要因素）
区域卸荷作用
a.构造作用
分活动构造应力，即现今还在形成，累积的应力场。
剩余构造应力，即地质历史时期构造作用形成的应力至今尚未完全卸除。
活动构造应力所形成的应力场，其最大主应力比较一致或呈规律变化而剩余应力则各地不一，比较杂乱。
b.区域卸荷作用
指区域性的面剥蚀。
例：岩体内深度处的侵入岩应力场（静水应力状态）

经地面剥蚀后，剥蚀厚度为h。
则

水平应力与垂直应力的减小幅有很大不同。
思考题：岩体卸荷过程中能否造成岩体破坏（设>）
二、自由临空面附近的应力重分布
以河谷为例：
河谷下切，形成地表的自由临空面，由此引起临空面附近岩体卸荷回弹，形成临空面附近岩体内应力重分布。
重分布应力大小和特点受原始地应力水平、岩性特征、临空面形态特征的影响。
重分布应力的主要特征：
①主应力方向在临空面附近发生明显变化
最大重应力与临空面近于平行，而最小主应力与临空面近于垂直。
②最大主应力由内向外逐渐增大，而最小主应力由内向外逐渐减小，至临空面上为零，甚至出现拉应力。
③应力在坡脚附近显著增大。
应力增大现象称应力集中。集中程度用应力集中系数表示。
三、岩体切割面附近的残余应力效应
由于岩体是由多种力学性质不同的材料（元件）组成，在加载条件和卸载条件下，不同力学性质的材料表现出不同的变形特征，以达到岩体内部应力和变形的总体平衡。
特征：以达到岩体内部应力和变形的总体平衡。
约束紧密的不同材料卸载的残余应力效应。
3我国地应力场的空间分布随时间变化的一般规律
3.1我国地应力场的空间分布特点
a.各地的最大重应力方向呈明显规律性
大致与察隅和伊斯兰堡连线的夹角平分线方向一致。
仅伊斯兰堡外侧和察隅外侧不同。
b.三向应力状态与由此决定的现代构造活动呈规律分布。
①潜在逆断型应力状态主重要分布于喜马拉雅山前缘一带。（与印度板块碰撞有关）
、水平，垂直
②潜在走滑型应力状态区主要分布于中、西部广大地区。
、水平垂直
③潜在正断型和张剪性走滑型应力状态区，主要分布于西藏高原（正断型）、东北、华北地区，汾渭地堑（张剪走滑型）。
3.2断裂带附近局部构造应力集中作用
a.一般规律
岩体受力变形时，其内所含的结构面会出现应力集中，使岩体内应力状态复杂化。
易于发生应力集中的部位往往是裂隙、断裂的端点、交汇点、错裂段、拐点、锁固段、分支点等。
b.局部应力集中区与活动断层的关系
上述应力集中的特殊部位往往形成与之相适应的构造带。局部压力集中区，形成局部隆起和挤压型构造，伴强震。反之，局部拉应力集中区形成拗陷和拉裂型构造，伴正断型地震。
4地应力随时间变化与地壳岩体应变速率的关系
a.地应力与应变速率的关系
地壳岩体是粘弹性介质。
伊腾等做的试验表明，当应力小于某临界值时，（不同材料的临界值不同）。变形初期，应力增高，但随时间推移，应力一旦达到某一极限值就会不再增长，而变形不断发展。
前段表现出弹性介质特征，而后者表现出粘性特征。
当应力大于临界值，则岩体表现弹性介质特征，直至破坏，断裂是岩体的薄弱环节，其变形较岩体更加容易。
b.地应力随时间变化的一般规律
从以上规律可得出应力随时间变化的一般规律。
在岩体中地应力大于临界应变速率的地区，应力随时间呈线性递增。
在岩体地应力低于其临界应变速率，但高于断裂的临界应变速率时，岩体中应变速率递增到一定程度后将稳定在与临界应变速率相适应的应力水平，而断裂的应力所属于递增型。
当岩体中的应变速率和断裂应变速率均低于断裂临界应变速率时，岩体中的应力和断裂带内的应力都在初期递增至一定水平后，将稳定在与岩体和断裂应变速率相适应的水平。
4地壳表层岩体应力状态的复杂性
仅为经验总结，并无统一的认识。
4.1岩体应力的若干规律
a.垂直应力
（岩体应力随深度增加，地表岩体卸荷尚未完成）
b.水平应力
①各方向上应力水平各异，并非如，最大值与最小值的关系为
=(0.5~0.75)，且相互正交，
②水平应力随深度变化
分三种情况即<（重力型）
=少见（静水压力型）深部塑性区
>多见（构